JP2009516433A - Analog-to-digital converter with dither - Google Patents
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Abstract
アナログ・ディジタル変換器が提供され、該変換器は、入力をサンプリングするためのキャパシタのアレイであって、各キャパシタは該キャパシタの端末を第1基準電圧または第2基準電圧に制御可能に接続するための少なくとも1つの関連スイッチを有する、前記キャパシタのアレイ;およびビットのシーケンスを発生するためのシーケンス発生器を含み、ここでキャパシタのアレイへの入力のサンプリング中に、シーケンス発生器の出力を第1群のキャパシタのスイッチに供給して、第1群の中の所定のキャパシタをその関連するスイッチにより第1基準電圧または第2基準電圧に接続するかどうかを制御するものである。An analog-to-digital converter is provided, the converter being an array of capacitors for sampling the input, each capacitor controllably connecting a terminal of the capacitor to a first reference voltage or a second reference voltage. An array of capacitors having at least one associated switch for; and a sequence generator for generating a sequence of bits, wherein the output of the sequence generator is output during sampling of the input to the array of capacitors. Supplying to a switch of a group of capacitors controls whether a given capacitor in the first group is connected to the first reference voltage or the second reference voltage by its associated switch.
Description
本発明は、アナログ・ディジタル変換器にディザを適用するための機器および方法、ならびにかかる機器を含むアナログ・ディジタル変換器に関する。 The present invention relates to an apparatus and method for applying dither to an analog-to-digital converter, and an analog-to-digital converter including such an apparatus.
アナログ・ディジタル変換器は良好な分解能を持つべきであるだけでなく、良好な線形性も示すことが望ましい。変換器の分解能は、それが変換するビット数で示される。代表的な高性能変換器は、14ビットまたは18ビットの分解能を示す。しかし使用者は、アナログ・ディジタル変換器の他の性能評価指標、例えば積分非直線性:INL、および微分非直線性:DNLなどにも注意を払うべきである。微分非直線性は、アナログ・ディジタル変換器によって生成される各離散コードの、相対的なステップサイズを言う。理想的な世界では、ランプ入力電圧がアナログ・ディジタル変換器に印加された場合、1つのディジタルコードから次への遷移の各々は、アナログの傾斜(analog ramp)に沿って等間隔であるべきである。しかし、微分非直線性誤差は、これらの遷移を非等間隔にさせ得る。アナログ値を異なるディジタル「ビン」に分類すると考えることが有用であり、したがって各ビンは同じサイズであるべきである。微分非直線性は、最下位ビットの大きさによって表わすことができる。図2に示すDNLの説明を用いて、−1LSB(−1LSB<DNL誤差)より大きい微分非直線性を有する変換器が、ミッシングコードなしであると保証されることがわかる。最適なDC性能のためには、DNL誤差は全てのコードでゼロでなければならない。
製造業者は微分非直線性を最小化するために多大の注意を払うが、デバイスを製造する際のプロセス変動および物理的精度の制限により、幾つかのDNL誤差が残ることは殆ど避けられない。
An analog-to-digital converter should not only have good resolution, but also should exhibit good linearity. The resolution of a converter is indicated by the number of bits it converts. Typical high performance converters exhibit 14 or 18 bit resolution. However, the user should also pay attention to other performance metrics, such as integral non-linearity: INL and differential non-linearity: DNL. Differential nonlinearity refers to the relative step size of each discrete code generated by an analog to digital converter. In an ideal world, when a ramp input voltage is applied to an analog-to-digital converter, each transition from one digital code to the next should be equally spaced along an analog ramp. is there. However, differential nonlinearity errors can cause these transitions to be non-equally spaced. It is useful to think of the analog values as being classified into different digital “bins”, so each bin should be the same size. Differential nonlinearity can be represented by the size of the least significant bit. Using the description of DNL shown in FIG. 2, it can be seen that a transducer with a differential nonlinearity greater than −1LSB (−1LSB <DNL error) is guaranteed to have no missing code. For optimal DC performance, the DNL error must be zero for all codes.
Although manufacturers take great care to minimize differential nonlinearity, it is almost inevitable that some DNL errors remain due to process variations and physical accuracy limitations when manufacturing devices.
US 5,010,339には、標準アナログ・ディジタル変換器が、該アナログ・ディジタル変換器の前に加算器を含む付加外部回路内に結合された配置が開示されている。加算器は、変換すべき信号を第1入力において、およびディジタル・アナログ変換器の出力を第2出力において受信する。ディジタル・アナログ変換器は、変化しているが既知の電圧を、変換前にアナログ信号に加えるように駆動される。これにより、同じ値の繰り返しの入力電圧信号がアナログ・ディジタル変換器の異なるビンにおいて変換され、これによって不等間隔なビンの幅によるDNL誤差を最小化する。しかし、この回路はアナログ・ディジタル変換器の複雑さを増加させ、また付加回路はオフセット誤差および利得誤差の源となり得る。 US 5,010,339 discloses an arrangement in which a standard analog-to-digital converter is coupled in an additional external circuit including an adder in front of the analog-to-digital converter. The adder receives the signal to be converted at a first input and the output of the digital to analog converter at a second output. The digital-to-analog converter is driven to apply a varying but known voltage to the analog signal before conversion. This allows repeated input voltage signals of the same value to be converted in different bins of the analog to digital converter, thereby minimizing DNL errors due to unevenly spaced bin widths. However, this circuit increases the complexity of the analog-to-digital converter, and additional circuitry can be a source of offset and gain errors.
US 7,015,853には、N個のキャパシタのスイッチトキャパシタアレイが設けられた変換器が開示されている。K個のキャパシタは、残りの(N−K)個のキャパシタの入力信号のサンプリング中に+Vrefに切換えることができる。逐次近似変換が開始されると、全てのN個のキャパシタは探索プロセスに関与し、その結果、入力をサンプリングするのに用いる(N−K)個のキャパシタと、入力をサンプリングしないこれらK個のキャパシタの間で、電荷の再配分が起こる。これは必然的に、回路内に利得誤差を生じさせる。さらに、ディザは単極性(すなわち、単一符号のみ)である。 US 7,015,853 discloses a converter provided with a switched capacitor array of N capacitors. The K capacitors can be switched to + Vref during sampling of the remaining (N−K) capacitor input signals. When the successive approximation conversion is initiated, all N capacitors are involved in the search process, so that (NK) capacitors used to sample the input and those K samples that do not sample the input. Charge redistribution occurs between the capacitors. This necessarily results in a gain error in the circuit. In addition, the dither is unipolar (ie, only a single sign).
発明の概要
本発明の第1の側面により、アナログ・ディジタル変換器が提供され、該変換器は、逐次近似変換に関与するための第1群のキャパシタであって、各キャパシタは該キャパシタの端末を第1基準電圧または第2基準電圧に制御可能に接続するための少なくとも1つの関連スイッチを有する、前記第1群のキャパシタ;第2群のキャパシタであって、該キャパシタを第3基準電圧または第4基準電圧に接続するためのそれぞれのスイッチを有する、前記第2群のキャパシタ、およびビットのシーケンスを発生するためのシーケンス発生器を含み、ここで第1群のキャパシタの少なくとも幾つかのキャパシタへの入力のサンプリング中に、またはサンプルの変換中に、シーケンス発生器の出力を第2群のキャパシタのスイッチに供給して、第2群の中の所定のキャパシタを、その関連するスイッチにより第3基準電圧または第4基準電圧に接続するかどうかを制御し、これによってディザを前記アナログ・ディジタル変換器に適用する。
SUMMARY OF THE INVENTION According to a first aspect of the invention, an analog to digital converter is provided, the converter being a first group of capacitors for participating in successive approximation conversion, each capacitor being a terminal of the capacitor. Said first group of capacitors having at least one associated switch for controllably connecting a first reference voltage or a second reference voltage to a first reference voltage or a second reference voltage; Said second group of capacitors having respective switches for connection to a fourth reference voltage, and a sequence generator for generating a sequence of bits, wherein at least some of the capacitors of the first group of capacitors During sampling of the input to or during sample conversion, the output of the sequence generator is fed to a switch of a second group of capacitors. , A predetermined capacitor in the second group, controlling whether to connect to a third reference voltage or the fourth reference voltage by its associated switch, thereby applying a dither to the analog-digital converter.
このようにして、サンプリングされた入力に対し、キャパシタを用いて、制御された摂動を提供することが可能である。実質的に同一の入力値の複数の変換は、各個別のサンプリングポイントに適用される異なる摂動の結果により、変換プロセス中に異なる「ビン」に割り当てられる入力値を生じる可能性がある。これは、DNL誤差の改善を生み出し、ミッシングコードの可能性を大幅に減少させ、良好に設計された変換器においてはミッシングコードがないことを効果的に保証する。
第3および第4基準電圧は、第1および第2基準電圧と等しくてもよい。
第2群のキャパシタは、SAR変換に関与しないことが好ましい。
In this way, it is possible to provide a controlled perturbation to the sampled input using a capacitor. Multiple transformations of substantially the same input value can result in input values being assigned to different “bins” during the transformation process due to different perturbation results applied to each individual sampling point. This creates an improvement in DNL error, greatly reduces the possibility of missing codes, and effectively guarantees that there are no missing codes in a well-designed transducer.
The third and fourth reference voltages may be equal to the first and second reference voltages.
The second group of capacitors are preferably not involved in the SAR conversion.
しかし第2群のキャパシタ内のキャパシタは、平均化ステップに用いてもよく、該ステップにおいては、1回または2回以上の平均化変換を行って、前の変換結果(例えば、従来のSAR変換においてキャパシタCN〜C1の連続セットおよび試験に対して得られたもの、ただし、任意にディザを適用したもの)を複数補正変換により修正し、ここで各補正変換が作り出せる変換結果の変化は一般に小さく、例えば約1または0.5LSBなどである。
第1群のキャパシタはSAR変換に含まれており、したがって例えば、変換器がN番目ビットの結果を提供する場合、第1群のキャパシタにはN個のキャパシタがあり、それに加えて、冗長性を許容するために提供されることができる、任意の追加キャパシタがある。
However, the capacitors in the second group of capacitors may be used in the averaging step, in which one or more averaging transformations are performed and the previous transformation results (eg, conventional SAR transformations). , Obtained for a continuous set of capacitors CN to C1 and tests, but with dither applied arbitrarily) by multiple correction conversions, where the change in conversion results that each correction conversion can produce is generally small For example, about 1 or 0.5 LSB.
The first group of capacitors is included in the SAR transformation, so if, for example, the converter provides an Nth bit result, the first group of capacitors has N capacitors, in addition to redundancy. There are any additional capacitors that can be provided to allow.
有利には、アレイの幾つかのキャパシタは、入力信号をサンプリングするために、またその変換に関与するために、用いられる。
好ましくは、第2群のキャパシタは、キャパシタアレイ中の最下位キャパシタから選択される。
有利には、実質的に0.5〜2LSBの範囲のビット重みを有する複数のキャパシタは、スイッチトキャパシタアレイ中の追加キャパシタとして提供され、これらのキャパシタが第2群のキャパシタを構成する。
Advantageously, several capacitors of the array are used to sample the input signal and participate in its conversion.
Preferably, the second group of capacitors is selected from the lowest capacitors in the capacitor array.
Advantageously, a plurality of capacitors having a bit weight substantially in the range of 0.5-2 LSB are provided as additional capacitors in the switched capacitor array, and these capacitors constitute a second group of capacitors.
有利には、第2群のキャパシタは、キャパシタアレイの一体化部分であり、ただし代替的にこれらは、結合キャパシタを介してキャパシタの主アレイに接続されたサブアレイ内に形成してもよい。主アレイはそれ自体、セグメント化アレイであってよい。
有利には、シーケンス発生器は、第2群のキャパシタのスイッチを制御するための、ランダムまたは擬似ランダムシーケンスを発生する。ランダムまたは擬似ランダムシーケンスの使用は、最悪ケースのシナリオにおいて幾つかのコードの短時間の欠落をもたらし得るシステム誤差を、回避することを支援する。
Advantageously, the second group of capacitors is an integral part of the capacitor array, but alternatively they may be formed in a sub-array connected to the main array of capacitors via a coupling capacitor. The main array may itself be a segmented array.
Advantageously, the sequence generator generates a random or pseudo-random sequence for controlling the switches of the second group of capacitors. The use of a random or pseudo-random sequence helps to avoid system errors that can result in a short loss of some codes in worst case scenarios.
有利には、算術ユニット(arithmetic unit)が設けられ、該ユニットは、シーケンス発生器からビットシーケンスを受信し、したがって入力信号に適用される摂動の大きさについての情報を有する。算術ユニットはまた、スイッチトキャパシタアレイから変換コードを受信し、スイッチトキャパシタアレイからの該コードに、適用された摂動を考慮するための補償を適用する。
シーケンス発生器は、入力信号のサンプリング中に生じ得る設定フェーズにおいて用いられる第1スイッチ制御ワードを発生することができ、および変換中に用いられる第2スイッチ制御ワードを発生することができる。これらワードの値の差はディザを生じさせ、これは双極性であって、すなわち、ディザは正または負のどちらの符号も取ることができる。
Advantageously, an arithmetic unit is provided, which receives the bit sequence from the sequence generator and thus has information about the magnitude of the perturbation applied to the input signal. The arithmetic unit also receives the conversion code from the switched capacitor array and applies compensation to the code from the switched capacitor array to account for the applied perturbations.
The sequence generator can generate a first switch control word that is used in the setup phase that can occur during sampling of the input signal, and can generate a second switch control word that is used during the conversion. The difference in the values of these words produces dither, which is bipolar, i.e., the dither can take either a positive or negative sign.
本発明の第2の側面により、アナログ・ディジタル変換器が提供され、該アナログ・ディジタル変換器は、
アナログ値をサンプリングするため、およびアナログ値をディジタル値に変換するために用いるスイッチトキャパシタアレイ;および
制御ワードに応答するスイッチトキャパシタディジタル・アナログ変換器;
を含み、ここで、入力信号をスイッチトキャパシタアレイにサンプリングした後、スイッチトキャパシタディジタル・アナログ変換器が動作して、スイッチトキャパシタアレイに格納された電荷に既知の摂動を作るか、または前記アナログ・ディジタル変換器の比較器に既知の摂動を適用する。
According to a second aspect of the present invention, an analog-to-digital converter is provided, the analog-to-digital converter comprising:
A switched capacitor array used to sample the analog values and convert the analog values to digital values; and a switched capacitor digital to analog converter responsive to the control word;
Where after the input signal is sampled into the switched capacitor array, the switched capacitor digital-to-analog converter is operated to create a known perturbation on the charge stored in the switched capacitor array, or the analog-digital A known perturbation is applied to the converter's comparator.
好ましくは、スイッチトキャパシタディジタル・アナログ変換器は、スイッチトキャパシタアレイと同じ技術を用いて実装され、任意に、スイッチトキャパシタアレイの一体化部分であってよい。
本発明の第3の側面により、アナログ・ディジタル変換器にディザを適用する方法が提供され、ここで前記変換器は、第1アレイのキャパシタを含み、各キャパシタは該キャパシタの端末を第1基準電圧または第2基準電圧に制御可能に接続するための少なくとも1つの関連スイッチを有し、そしてここで、第1アレイのキャパシタは、逐次近似変換中に逐次近似コントローラの制御のもとで、第1および第2基準電圧の間で切換えられ;ここで第2アレイのキャパシタが提供され、該第2アレイのキャパシタはそれぞれのスイッチを有し、キャパシタのアレイ中の少なくとも1つのキャパシタへの入力のサンプリング中、またはサンプルの変換中に、摂動制御ワードが第2アレイのキャパシタのスイッチに供給されて、第2アレイ内のあるキャパシタをその関連するスイッチにより、第1基準電圧または第2基準電圧に接続するかどうかを制御する。
Preferably, the switched capacitor digital-to-analog converter is implemented using the same technology as the switched capacitor array and may optionally be an integral part of the switched capacitor array.
According to a third aspect of the present invention, there is provided a method of applying dither to an analog to digital converter, wherein the converter includes a first array of capacitors, each capacitor having a first reference to the capacitor end. At least one associated switch for controllably connecting to a voltage or a second reference voltage, and wherein the capacitors of the first array are under the control of a successive approximation controller during the successive approximation conversion. Switched between one and a second reference voltage; wherein a second array of capacitors is provided, the second array of capacitors having a respective switch, the input of at least one capacitor in the array of capacitors During sampling or sample conversion, a perturbation control word is provided to the switch of the capacitor of the second array and is in the second array Yapashita by its associated switch for controlling whether to connect to the first reference voltage or the second reference voltage.
本発明の第4の側面により、アナログ・ディジタル変換器によりディジタル化される入力信号にディザを加えるための方法が提供され、ここで前記アナログ・ディジタル変換器は、入力値をサンプリングするため、および入力値をディジタル値に変換するために用いるスイッチトキャパシタアレイを含み、前記アナログ・ディジタル変換器は、制御ワードに応答するスイッチトキャパシタディジタル・アナログ変換器をさらに含み、ここで、入力信号をスイッチトキャパシタアレイにサンプリングした後、スイッチトキャパシタディジタル・アナログ変換器が動作して、スイッチトキャパシタアレイに格納された電荷に、またはアレイに生じる電圧に、または前記アナログ・ディジタル変換器の比較器に、既知の摂動を作る。 According to a fourth aspect of the present invention there is provided a method for adding dither to an input signal that is digitized by an analog to digital converter, wherein the analog to digital converter is for sampling an input value, and A switched capacitor array for converting an input value to a digital value, wherein the analog to digital converter further includes a switched capacitor digital to analog converter responsive to a control word, wherein the input signal is switched to the switched capacitor array; After sampling, the switched capacitor digital-to-analog converter operates to apply a known perturbation to the charge stored in the switched capacitor array, to the voltage generated in the array, or to the comparator of the analog-to-digital converter. create.
本発明の第5の側面により、アナログ・ディジタル変換器の微分非直線性を改善するための方法が提供され、前記方法は、
a)ディザ値を発生すること;
b)前記ディザ値を比較器に適用して、これにより比較器の比較閾値に摂動を起こすこと;および
c)1または2以上のアナログ・ディジタル変換ステップを実行すること、
のステップを含む。
According to a fifth aspect of the present invention there is provided a method for improving the differential nonlinearity of an analog to digital converter, said method comprising:
a) generating a dither value;
b) applying the dither value to a comparator, thereby perturbing the comparison threshold of the comparator; and c) performing one or more analog-to-digital conversion steps;
Including the steps.
本発明の態様を、非限定的例を用い、添付の図を参照してさらに説明する。 Aspects of the present invention will be further described by way of non-limiting examples and with reference to the accompanying figures.
本発明の好ましい態様の説明
理想的には、アナログ・ディジタル変換器は線形であるべきである。したがって、図1に示すように、ディジタルコードXX001(ここでXXは先行するビットを表し、これらの状態は本議論とは無関係である)は入力電圧Vinが0.5〜1.5任意単位の範囲である。同様に、XX010は入力電圧1.5〜2.5の範囲である。各ディジタルコードは、アナログ領域で同一間隔、すなわち図1に示すように1電圧入力単位にわたっているべきである。しかし、図1に示すようにDNL誤差が生じ、その結果コードXX011は本来の2.5〜3.5ではなく、2.25〜4.25の入力範囲となる。これは、1.5より大きく、2.5より小さい範囲のVinの幾つかの入力値はXX010として正しく変換され、かつこの範囲の幾つかの入力電圧はXX011として誤って変換されることを意味する。示された例においては、コードXX100が欠落し、コードXX101は4〜5.5の範囲である。図1に示すその後のコードは、それらの正しい範囲にわたっている。
DESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS OF THE INVENTION Ideally, the analog to digital converter should be linear. Accordingly, as shown in FIG. 1, the digital code XX001 (where XX represents the bits preceding, these states are independent of the present discussion) is the input voltage V in is 0.5 to 1.5 arbitrary units Range. Similarly, XX010 is in the range of input voltage 1.5-2.5. Each digital code should be at the same interval in the analog domain, ie over one voltage input unit as shown in FIG. However, as shown in FIG. 1, a DNL error occurs, and as a result, the code XX011 becomes an input range of 2.25 to 4.25 instead of the original 2.5 to 3.5. This means that some input values of Vin in the range greater than 1.5 and less than 2.5 are correctly converted as XX010, and some input voltages in this range are incorrectly converted as XX011. means. In the example shown, the code XX100 is missing and the code XX101 is in the range of 4 to 5.5. The subsequent code shown in FIG. 1 covers their correct range.
DNL誤差についてさらに考慮することは有用である。図2は、アナログ入力電圧に対する一連のディジタル出力コードを示す。この例においては、第1ディジタル出力コードであるコード1は、その正しい範囲である1LSBに正確にまたがり、その結果そのDNL誤差はゼロである。次のコードであるコード2は、その範囲であるべきアナログ入力電圧の半分のみにまたがっている。コード2は−0.5LSBのDNLを有する。第3のコードであるコード3は広すぎる範囲にまたがり、この例では1.5LSBに相当する範囲にまたがり、このため+0.5LSBのDNLを有する。第4のコードであるコード4は、0.25LSBに相当する範囲のみにまたがり、このため−0.75LSBのDNLを有する。興味深いことには、第5コードは欠落しており、第6のコードであるコード6はアナログ電圧範囲において1LSBの正しい長さにまたがっており、このためそのDNL=0であるが、ただしその期待される電圧範囲からは1.75LSBオフセットしていることが観察される。
It is useful to further consider the DNL error. FIG. 2 shows a series of digital output codes for analog input voltages. In this example, the first digital output code,
アナログ・ディジタル変換器の動作に既知のディザを加えることにより、ミッシングコードの問題を低減し、また微分非直線性誤差を改善することができる。これは、ディザが適用された固定入力電圧を変換すると、変換結果は、同じビンに一貫して入るよりは、複数の変換ビンに分散されるからである。
従来技術による解決法として、US 5,010,339に記載されているように、入力電圧をサンプリングし、次に加算器を用いてディザ電圧を加算した後にこれをアナログ・ディジタル変換器に送信すると、追加のアナログ素子を必要とするため、全体としての変換器回路の複雑さが増す。さらに、アナログディザ電圧を発生するために用いるDACおよび加算器は、ノイズ、オフセットおよび利得誤差の源となり得て、このためアナログ・ディジタル変換器の性能の他の側面を劣化させる可能性がある。素子がADCに一体化されたとしても、ディザの機能性を実装するには、用いるシリコン面積およびADCの消費電力の面で高価な方法となる。さらにUS 5,010,339では、入力電圧とディザの合計がADCのフルスケール範囲を超えるのを防ぐよう、特別な注意を払わなければならない。
By adding known dither to the operation of the analog-to-digital converter, the missing code problem can be reduced and the differential nonlinearity error can be improved. This is because when converting a fixed input voltage to which dither is applied, the conversion result is distributed to multiple conversion bins rather than consistently entering the same bin.
As a prior art solution, as described in US 5,010,339, if the input voltage is sampled and then added to the dither voltage using an adder and then sent to the analog-to-digital converter, an additional analog The need for elements increases the complexity of the overall converter circuit. Furthermore, the DAC and adder used to generate the analog dither voltage can be a source of noise, offset and gain errors, which can degrade other aspects of the analog to digital converter performance. Even if the elements are integrated into the ADC, implementing the dither functionality is an expensive method in terms of silicon area used and power consumption of the ADC. In addition, in US 5,010,339 special care must be taken to prevent the sum of the input voltage and dither from exceeding the full scale range of the ADC.
本発明者らは、多くの逐次近似変換器で用いられているスイッチトキャパシタ構造が、摂動またはディザをサンプリング信号に負荷するために使用可能であることに気づいた。スイッチトキャパシタアレイの構造により、特にその中に誤差補正キャパシタを有しているかどうか、もし有している場合はその数により、本発明はスイッチトキャパシタアレイを改変することなく実装してもよい。しかし、幾つかの場合において、本発明の実装は、ディザの源として用いることができる複数の低値(すなわち、1LSB付近)の追加キャパシタの形成によって促進することができる。追加キャパシタの形成は有利であるが、これは追加キャパシタを、複数の変換結果を得ることによって変換器の信号対ノイズ比を改善するために後に用いてもよいからであり、このことはUSPTO US 11/226,071として出願された本出願人の共同特許出願である、名称「アナログ・ディジタル変換器」に説明されており、これは参照として本明細書に組み込まれる。 The inventors have realized that the switched capacitor structure used in many successive approximation converters can be used to load a perturbation or dither into the sampling signal. Depending on the structure of the switched capacitor array, the present invention may be implemented without modifying the switched capacitor array, particularly depending on whether or not it has error correction capacitors therein. However, in some cases, implementations of the present invention can be facilitated by the formation of multiple low value (ie, near 1 LSB) additional capacitors that can be used as a source of dither. The formation of an additional capacitor is advantageous because it may be used later to improve the signal-to-noise ratio of the converter by obtaining multiple conversion results, which is USPTO US Applicant's joint patent application, filed 11 / 226,071, is described in the name “analog-to-digital converter”, which is incorporated herein by reference.
図3は、本発明の態様を構成するアナログ・ディジタル変換器の模式図である。典型的には、アナログ・ディジタル変換器は2つのスイッチトキャパシタアレイを含み、1つは「P−ADC」であり、一般に2で示され、比較器6の非反転入力4に接続される。等価スイッチトキャパシタアレイである「N−DAC」は、比較器6の反転入力8に接続される。両アレイは同一であり、単純化のために1つだけを記載する。実際アナログ・ディジタル変換器の動作は、「N−DAC」アレイを省略し、反転入力8を例えばグラウンドなどの基準電圧に接続すると仮定すると、より容易に理解することができる。
FIG. 3 is a schematic diagram of an analog / digital converter constituting an embodiment of the present invention. Typically, an analog to digital converter includes two switched capacitor arrays, one “P-ADC”, generally indicated at 2, connected to the
一般にNビット変換器、例えば14ビット変換器は、14個のバイナリ重み付けキャパシタをその中に有する。最下位キャパシタC1は1任意単位のキャパシタンス値を有し、次の最上位キャパシタC2は2任意単位の値を有し、次の最上位キャパシタC3は4任意単位の値を有し、次の最上位キャパシタC4は8任意単位の値を有し、最後にCN(例えばC14)キャパシタは、8,192単位の値を有する。これは実際には、最小のキャパシタから最大のキャパシタまでの非常に広いスケーリングを示し、14ビット範囲全体にわたって正確なスケーリングを維持することは困難である。この問題を克服するために、スイッチトキャパシタアレイはセグメント化アレイとして実装することができる。したがって、図3に示すように、最上位キャパシタは2で示されるメインアレイまたは主アレイに設けられ、最下位キャパシタは10で示されるサブアレイに設けられる。どのアレイ内のキャパシタも、互いにバイナリに重み付けされ(<2の基数による他の重み付けも可能ではあるが)、ただしアレイ間のスケーリングは壊すことができ、キャパシタの正しい相対的大きさは、サブアレイ10をメインアレイ2に接続する結合キャパシタ12の適当なサイジングにより回復される。
In general, an N-bit converter, such as a 14-bit converter, has 14 binary weighted capacitors therein. The lowest capacitor C1 has a capacitance value of 1 arbitrary unit, the next highest capacitor C2 has a value of 2 arbitrary units, the next highest capacitor C3 has a value of 4 arbitrary units, and the next highest capacitor C3. The upper capacitor C4 has a value of 8 arbitrary units, and finally the CN (eg C14) capacitor has a value of 8,192 units. This actually indicates a very wide scaling from the smallest capacitor to the largest capacitor, and it is difficult to maintain accurate scaling over the entire 14-bit range. To overcome this problem, switched capacitor arrays can be implemented as segmented arrays. Therefore, as shown in FIG. 3, the uppermost capacitor is provided in the main array or the main array indicated by 2, and the lowest capacitor is provided in the sub-array indicated by 10. Capacitors in any array are binary weighted relative to each other (although other weights with radix <2 are possible), but the scaling between arrays can be broken, and the correct relative size of the capacitors is Is recovered by appropriate sizing of the
従って、14ビットのアナログ・ディジタル変換器を考えると、最下位の7個のキャパシタC1〜CA(A=7)はサブアレイ10に配置することができ、最上位キャパシタCB〜CN(B=8およびN=14)は、メインアレイ2に配置することができる。サブアレイ10内で、最小キャパシタC1は1任意単位の値を有するが、このアレイ内の最大キャパシタCAは64任意単位の値を有する。同様にメインアレイ内で、最小キャパシタCBは1任意単位の値を有し、最大キャパシタCNは64任意単位の値を有する。したがって任意のアレイにおいてキャパシタのスケーリングの問題は大幅に低減され、キャパシタアレイが必要とする集積回路内でのシリコンの総面積も大幅に減少する。16ビット変換器の文脈において8個のキャパシタはサブアレイ10に設けられ、8個のキャパシタはメインアレイ2に設けられる。各アレイ内での相対的サイズは1〜128の係数で変化するのみである。変換器の設計者は、キャパシタをサブアレイ10とメインアレイ2の間で等分しなければならないわけではなく、例えば、メインアレイ2はサブアレイ10より多くのキャパシタを有してもよい。
Therefore, considering a 14-bit analog-to-digital converter, the lowest seven capacitors C1 to CA (A = 7) can be arranged in the
誤差補正キャパシタを有さない14ビットDACについて、キャパシタの相対的サイズは以下である。
C1=1、C2=2、C3=4、C4=8、C5=16、C6=32、C7=64
結合キャパシタ 12=1
C8=1、C9=2、C10=4、C11=8、C12=16、C13=32、C14=64。
ここで、キャパシタC1〜C7はサブアレイにあり、キャパシタC8〜C14はメインアレイにある。
16ビットADCにおいても同様のスキームが適用されるが、ただし各アレイは、128単位キャパシタを追加して有する。
For a 14-bit DAC with no error correction capacitor, the relative size of the capacitor is:
C1 = 1, C2 = 2, C3 = 4, C4 = 8, C5 = 16, C6 = 32, C7 = 64
Coupling
C8 = 1, C9 = 2, C10 = 4, C11 = 8, C12 = 16, C13 = 32, C14 = 64.
Here, the capacitors C1 to C7 are in the sub-array, and the capacitors C8 to C14 are in the main array.
A similar scheme applies to a 16-bit ADC, except that each array has an additional 128 unit capacitor.
C1〜CNの各キャパシタは、関連するスイッチS1〜SAおよびSB〜SNを有し、これらスイッチは、第1プレート(図3に描かれたような、キャパシタの最下部のプレート)を第1基準電圧「Vrefp」または第2基準電圧「Vrefn」のどちらかに接続するように動作する。一般にVrefnはグラウンドに相当する。メインDACアレイ2のキャパシタCB〜CNはさらに、スイッチSB〜SNにより、それぞれ、信号パス「Ain」に接続することもでき、入力電圧をキャパシタCB〜CNへとサンプリングする。サンプリング中、スイッチ22は閉じられ、キャパシタの第2プレート(図3に示すように、最上部のもの)をグラウンドまたは1/2Vrefなどの他の適当な基準電圧へ接続する。スイッチ22は、その他の場合は常に開状態である。図3に示すような種類のセグメント化された変換器においては、入力電圧を、サブアレイ10のキャパシタC1〜CAにサンプリングする必要はない。
Each capacitor C1-CN has an associated switch S1-SA and SB-SN, which switches from the first plate (the bottom plate of the capacitor, as depicted in FIG. 3) to the first reference. It operates to connect to either the voltage “V refp ” or the second reference voltage “V refn ”. In general, V refn corresponds to the ground. The capacitors CB to CN of the
メインキャパシタアレイのみにサンプリングする結果、利得誤差が生じる。これは、サブアレイへサンプリングしないことについて補正するための、追加の単位値キャパシタを加えることによって補正することができる。この追加のキャパシタは、サンプリングキャパシタと呼ぶことができ、その理由は、これがサンプリングフェーズでのみ用いられ、下に示すように、サブアレイのキャパシタのビット重みの合計に1LSBを加えたもの(サブアレイに誤差補正ビットがある場合はこれを除く)に等しい、等価のビット重みを有するからである。セグメント化アレイおよびサンプリングキャパシタを用いて利得誤差を補正することは、当業者に知られている。 As a result of sampling only the main capacitor array, a gain error occurs. This can be corrected by adding an additional unit value capacitor to correct for not sampling into the subarray. This additional capacitor can be referred to as the sampling capacitor because it is only used in the sampling phase and, as shown below, the sum of the bit weights of the subarray capacitors plus 1LSB (subarray error This is because it has an equivalent bit weight equal to (excluding this if there is a correction bit). It is known to those skilled in the art to correct gain errors using segmented arrays and sampling capacitors.
したがって16ビットADCにおいて、以下を有する:
SC=サンプリングキャパシタ
Thus, in a 16-bit ADC, has:
入力電圧AinがキャパシタCB〜CNにサンプリングされると、スイッチ22が開かれて、これによりメインアレイ2のキャパシタの電荷が捕捉される。次に逐次近似探索を開始することができる。逐次近似探索戦略は当業者に知られており、したがってここでは最小の言及のみで足りる。基本的に、全てのスイッチS1〜SNは、キャパシタをVrefn基準電圧に接続するように切換える。次に、最上位キャパシタCNを試験し、そのスイッチSNを用いて、これを電圧基準Vrefpに接続する。アレイのキャパシタは効果的に容量分圧器を形成し、その結果非反転入力4に生じている電圧が変化する。比較器6は、この電圧がその反転入力での電圧より大きいか小さいかを試験する。比較結果に応じて、キャパシタCNに対応するビットは維持されるか(すなわち、セット)または廃棄される(リセット)。変換されるアナログ値が変換範囲の上半分にある場合は、ビットCNは維持され、他の場合は廃棄される。最初のビット試行の結果は、次の最上位ビット試行C(N−1)に繰り越され、これが同様の方法でセットおよび試験され、次にこの結果は再度、最終ビットC1が試験されるまで、逐次近似探索を通して繰り越される。
When the input voltage A in is sampled by the capacitors CB to CN, the
アナログ・ディジタル変換器の性能を強化し、全体の変換スピードを増すために、アレイ内に追加の誤差補正キャパシタを作製することが知られている。これらのキャパシタは余分な「重み」をアレイ内に提供し、逐次近似探索が誤った決定から回復することを可能とし、その結果、スイッチS1〜SNの切換えから比較器6の決定を捕らえるまでの静定時間がかなり短縮される。
キャパシタC1〜CNは、逐次近似アルゴリズムに関与する第1群のキャパシタを形成する。
It is known to create additional error correction capacitors in the array to enhance the performance of analog to digital converters and increase the overall conversion speed. These capacitors provide extra “weights” in the array, allowing the successive approximation search to recover from erroneous decisions, and as a result, from switching the switches S1-SN to capturing the decision of the comparator 6. The settling time is considerably shortened.
Capacitors C1-CN form a first group of capacitors involved in the successive approximation algorithm.
現代のアナログ・ディジタル変換器の多くは、誤差補正キャパシタを含み、不正確な決定からの回復が可能である。本発明の1例において、キャパシタの有効重みは、(サブアレイ10におけるリスケーリングにより説明されるように)以下のパターンを取る:
32768、16384、8192、4096、2048、±1024、1024、512、256、128、±64、64、32、16、8、±4、4、2、±1、±1、1、±0.5、±0.5、±0.5、±0.5、±0.5、±0.5、±0.5。
Many modern analog-to-digital converters include error correction capacitors and can recover from inaccurate decisions. In one example of the present invention, the effective weight of the capacitor takes the following pattern (as explained by rescaling in subarray 10):
32768, 16384, 8192, 4096, 2048, ± 1024, 1024, 512, 256, 128, ± 64, 64, 32, 16, 8, ± 4, 4, 2, ± 1, ± 1, 1, ± 0. 5, ± 0.5, ± 0.5, ± 0.5, ± 0.5, ± 0.5, ± 0.5.
この好ましい態様において、±0.5の重みを有する7個の追加のキャパシタAC1〜AC7が作製されているが、単純化のため図3には、このうち3個のキャパシタAC1〜AC3のみが示されている。これら追加のキャパシタAC1〜AC7は第2群のキャパシタとみなされ、ADCにディザを適用するために用いられる。追加のキャパシタAC1〜AC7は、SARコントローラの制御下でスイッチが切換えられることはなく、したがって変換すべきアナログ値を得た後、第1のアナログ・ディジタル変換に先立って、ビット試行に関与することはない。
好ましい態様における7個の追加のキャパシタAC1〜AC7はしかし、他のプロセスにおいて、アナログ・ディジタル変換器の信号対ノイズ比を改善するために再度用いられ、このプロセスは本発明の一部を構成しない。したがって、単純化のために、1つのキャパシタAC1がP−DACアレイに設けられることのみが必要であり、この追加の1/2LSBキャパシタは、0.5LSBの値を有することのみが必要である。
In this preferred embodiment, seven additional capacitors AC1-AC7 having a weight of ± 0.5 are made, but for simplicity only three of these capacitors AC1-AC3 are shown in FIG. Has been. These additional capacitors AC1-AC7 are considered as a second group of capacitors and are used to apply dither to the ADC. The additional capacitors AC1 to AC7 are not switched under the control of the SAR controller and therefore participate in bit trials after obtaining the analog value to be converted and prior to the first analog to digital conversion. There is no.
The seven additional capacitors AC1-AC7 in the preferred embodiment, however, are used again in other processes to improve the signal to noise ratio of the analog to digital converter, which process does not form part of the present invention. . Therefore, for simplicity, only one capacitor AC1 needs to be provided in the P-DAC array, and this additional 1/2 LSB capacitor only needs to have a value of 0.5LSB.
例えば±1024の値を有する誤差補正キャパシタの形成は、当業者に知られている。好ましい態様において、±1024の値を有するキャパシタは、それぞれが1024ビットの重みを有する2つのキャパシタからなる。アナログ入力はこれらのキャパシタにはサンプリングされない。サンプリングフェーズの間、これらのキャパシタの第1のものはVrefpに接続され、第2のキャパシタはVrefnに接続される。ビット試行の間、これらのキャパシタの第2のものは、Vrefnとの接続を解かれて、Vrefpと接続され、+1024の重みを試験する。ビットが許容された場合、第1および第2のキャパシタ両方がVrefpに接続されたまま残される。ビットが棄却された場合、第1および第2のキャパシタ両方はVrefpとの接続をはずされて、−1024LSBの負のステップを発生するVrefnに接続される。 For example, the formation of an error correction capacitor having a value of ± 1024 is known to those skilled in the art. In a preferred embodiment, a capacitor having a value of ± 1024 consists of two capacitors each having a weight of 1024 bits. Analog inputs are not sampled into these capacitors. During the sampling phase, the first of these capacitors is connected to V refp and the second capacitor is connected to V refn . During the bit trial, the second of these capacitors is disconnected from V refn , connected to V refp and tested for a weight of +1024 . If the bit is allowed, both the first and second capacitors are left connected to V refp . If the bit is rejected, both the first and second capacitors are disconnected from V refp and connected to V refn which generates a negative step of -1024 LSB .
前に述べたように、サンプリングフェーズの間、キャパシタCB〜CNはそれらの第1プレート((図3に示される最下部のプレート)がP−DACのVrefnに接続されている。N−DACの対応するキャパシタ(図3には詳細に示されず)は、それらの電気的制御可能スイッチを介してVrefpと接続される。サブアレイのキャパシタの第1プレートを任意の特定基準電圧に接続する必要はないことを指摘しておくが、これは、サブアレイ10からメインアレイ2へと結合キャパシタ12を通って伝播する電荷の変化のみに興味があるからである。
As previously mentioned, during the sampling phase, capacitors CB-CN have their first plates (the bottom plate shown in FIG. 3) connected to V refn of the P-DAC. The corresponding capacitors (not shown in detail in FIG. 3) are connected to V refp through their electrically controllable switches, the first plate of the capacitors of the subarray need to be connected to any particular reference voltage It should be pointed out that this is because we are only interested in the change in charge propagating through the
本発明者らは、アナログ・ディジタル変換器へのディザの導入を、次のようにして、すなわち、サンプリング中にスイッチ位置を変更することにより、サブアレイ10の下部キャパシタビット重みの幾つかが、その第1プレートをサンプリングフェーズの間にVrefnでなくVrefpと接続させることで、実現した。スイッチが、逐次近似変換プロセスの間のある時点においてVrefnに接続し直された場合、必ずしもそうである必要はないが好ましくは最上位ビットCNが試験される前に、電荷の再配分が起こってサブDAC10の共通レール14における電圧に負の摂動が生成され、そのために負の摂動が結合キャパシタ12を介してメインアレイ2に導入され、これによってメインアレイ2にサンプリングされる電圧に、わずかであるが知ることができる変化を引き起こす。N−DACサブアレイに同じディザ技法を適用することにより、サンプリングされた入力に正の摂動が生成される。ディザは、サブアレイの任意のキャパシタC1〜CAのスイッチS1〜SAを変更することにより導入できるが、一般に、ディザを小さく保つのが好ましい。したがって、サブキャパシタアレイ中でキャパシタの選択的切換えを用いて、サンプリングフェーズの間にメインキャパシタアレイにサンプリングされた電圧に摂動をもたらすことができ、したがって、変換器内のアナログ信号パスを複雑化することなく、アナログ・ディジタル変換器に正または負のディザを導入することができる。
We have introduced the dither to the analog-to-digital converter as follows, i.e., changing the switch position during sampling, so that some of the lower capacitor bit weights of the
上に指摘したように、ディザは0.5LSBまでの分解能を有するのが好ましい。したがって、0.5LSBの値を有する、少なくとも1つの追加のキャパシタAC1を形成するのが望ましい。かかるキャパシタは、2単位(1LSB)をキャパシタに直列で接続することにより、形成可能である。この追加のキャパシタAC1は、次に、2、3個のより低い値のキャパシタと共に用いてもよく、例えば、サブアレイのC1およびC2であり、これらは0〜−3.5LSBの範囲のディザを、サブアレイ10に加えるために用いる。同様に、N−DACのサブアレイのキャパシタは、0〜+3.5LSBの範囲のディザを加えるために用いることができる。
As pointed out above, the dither preferably has a resolution of up to 0.5 LSB. Therefore, it is desirable to form at least one additional capacitor AC1 having a value of 0.5LSB. Such a capacitor can be formed by connecting two units (1 LSB) in series with the capacitor. This additional capacitor AC1 may then be used with a few lower value capacitors, eg, subarrays C1 and C2, which have dithers in the range of 0--3.5LSB, Used to add to
図3に示すように、複数の追加のキャパシタAC1〜AC3が設けられる場合、これらは単独で、またはサブDACの低い重みのキャパシタに追加して用いてよく、ディザの機能性を実現するために用いる。本発明の1つの態様において、それぞれが0.5LSBの値を有する7個の追加キャパシタAC1〜AC7が、サブDACに実装される。便利さのために、第1の追加キャパシタAC1は個別に切換えされて、0.5LSBのディザキャパシタを形成する。2つのキャパシタAC2およびAC3は、同時に切換えされて、1LSBディザキャパシタを合成し、残りのキャパシタAC4〜AC7は同時に切換えされて、2LSBのディザキャパシタを合成する。スイッチSAC1、SAC2等は、擬似乱数発生器40が発生する擬似乱数に応答して駆動される。これは、−3.5以上+3.5以下の数をランダムに発生し、P−DACに関連するサブDAC10のスイッチ、および対応するN−DACに関連するサブDAC(図示されず)のスイッチを制御する。
As shown in FIG. 3, if a plurality of additional capacitors AC1-AC3 are provided, these may be used alone or in addition to the low weight capacitors of the sub-DAC to achieve dither functionality. Use. In one aspect of the invention, seven additional capacitors AC1-AC7, each having a value of 0.5LSB, are implemented in the sub-DAC. For convenience, the first additional capacitor AC1 is switched individually to form a 0.5 LSB dither capacitor. The two capacitors AC2 and AC3 are switched simultaneously to synthesize a 1LSB dither capacitor, and the remaining capacitors AC4 to AC7 are simultaneously switched to synthesize a 2LSB dither capacitor. The switches SAC1, SAC2, etc. are driven in response to the pseudorandom numbers generated by the
ただ1つの追加キャパシタAC1を有する態様については、擬似乱数発生器40はスイッチSAC1、S1、S2、S3等を制御する。こうして負のディザ値−5LSBを導入するために、サンプリングフェーズの間、図3に示すようにスイッチS1およびS3はP−DACのVrefpに接続され、S2はVrefnに接続され、N−DACサブアレイの同様のスイッチ(図においては明確さのために省略されている)は、Vrefpに接続される。サンプリングフェーズが完了すると、スイッチ22が開かれ、続いてスイッチSB〜SNが開かれて、キャパシタCB〜CNの第1プレートをアナログ入力信号から切り離す。スイッチSB〜SNは次に、最上位ビットのビット試行について準備するために、最初の逐次変換状態に設定することができる。前に指摘したように、スイッチS1およびS3がVrefnに再接続されると、メインアレイ2にサンプリングされた電圧に負の摂動が導入される。
For the embodiment with only one additional capacitor AC1, the
追加のキャパシタ、例えばAC1〜AC7を有する態様に対して同様の考察が適用されるが、ただし、スケーリングのため、この場合は擬似乱数−5が、0.5LSBキャパシタのAC1、およびキャパシタAC4〜AC7により形成される複合2LSBキャパシタに関連するスイッチを操作して、−2.5LSBのディザを導入する。
どちらの場合もビット試行は最後まで行われ、逐次近似変換の結果は、逐次近似コントローラ44により加算器42に渡される。加算器は次に、サンプリング完了後にサンプリングされた信号に適用されたディザのサイズを説明するための、結果の補正を行う。
Similar considerations apply to embodiments with additional capacitors, eg AC1-AC7, but for scaling purposes, in this case pseudo-random -5 is 0.5 LSB capacitor AC1, and capacitors AC4-AC7. Operate the switch associated with the composite 2LSB capacitor formed by the -2.5LSB dither.
In either case, bit trials are performed to the end, and the result of the successive approximation conversion is passed to the
次のことも明らかである:サンプリング中、全キャパシタは同じ基準電圧に接続してもよく、サンプリングフェーズが完了すると、キャパシタの幾つかは擬似乱数発生器に応答して切り換えられる。切換えは、ビット試行が始まる前またはビット試行中に行うことができる。
さらに、サンプリングされた電荷はキャパシタアレイから失われないため、1つのサンプリング事象の後に2回以上の変換が行われて、最下位ビットの幾つかを完全にかまたは部分的に再変換してもよく、ここでこれらの変換は1つのサンプリング事象に関連しているが、これらの変換の各々において異なるディザを適用することができる。
It is also clear that during sampling, all capacitors may be connected to the same reference voltage, and once the sampling phase is complete, some of the capacitors are switched in response to a pseudo-random number generator. The switching can occur before the bit trial begins or during the bit trial.
Furthermore, since the sampled charge is not lost from the capacitor array, two or more conversions can be performed after a single sampling event to completely or partially reconvert some of the least significant bits. Well, here these transformations are associated with one sampling event, but different dithers can be applied in each of these transformations.
したがって、本発明は、アナログ信号パスに追加の素子を導入することなく、サンプリングされた電圧にディザを適用することが可能であることがわかる。さらにディザは、アナログ・ディジタル変換器内にいかなる追加素子を作製することなく、適用することができる。しかし、本発明の幾つか実装においては、追加のキャパシタをサブアレイ内に作製してもよく、これらは1LSBより小さいディザを適用するのに便利に用いることができる。 Thus, it can be seen that the present invention can apply dither to the sampled voltage without introducing additional elements in the analog signal path. Furthermore, the dither can be applied without creating any additional elements in the analog to digital converter. However, in some implementations of the present invention, additional capacitors may be made in the sub-array, which can be conveniently used to apply dither less than 1 LSB.
追加のキャパシタが作製された場合、サブLSBキャパシタンスを非常に容易に提供することが可能である。与えられた例においては作製された最小のキャパシタンスは0.5LSBであるが、より小さいキャパシタンスも、アナログ・ディジタル変換器の作製中に設置する単位サイズキャパシタを用いて容易に作製できる。したがって、1/3LSBキャパシタを、3つの単位キャパシタを直列に接続して作製できる。同様に、1/4LSBキャパシタを、4つの単位キャパシタを直列に接続して作製でき、1/5LSBキャパシタを、5つの単位キャパシタを直列に接続して作製できる、等である。これにより、ディザはキャパシタ値の公称バイナリ重みの順列から容易に離れることができることがわかる。
前に指摘したように、ディザキャパシタは必ずしも追加キャパシタである必要はなく、サンプリングおよび変換スイッチトキャパシタアレイのキャパシタから選択できた。さらに、この技術はセグメント化されたADCに関して記載されているが、非セグメント化アレイにも同様に適用可能である。したがって、アレイ中に存在するキャパシタを用いるか、または数個の余分なキャパシタを加えるかして、DNL誤差を補正することができる。これは、安価かつ低消費電力で、ADC設計について良好な適合性を有する解決策を提供する。
Sub-LSB capacitance can be provided very easily if additional capacitors are made. In the given example, the minimum capacitance produced is 0.5 LSB, but smaller capacitances can be easily created using unit size capacitors that are installed during the fabrication of the analog to digital converter. Therefore, a 1/3 LSB capacitor can be manufactured by connecting three unit capacitors in series. Similarly, a 1/4 LSB capacitor can be made by connecting 4 unit capacitors in series, a 1/5 LSB capacitor can be made by connecting 5 unit capacitors in series, and so on. This shows that the dither can easily leave the permutation of the nominal binary weights of the capacitor values.
As pointed out earlier, the dither capacitor need not necessarily be an additional capacitor, but could be selected from the capacitors of the sampling and conversion switched capacitor array. Furthermore, although this technique has been described with respect to segmented ADCs, it is equally applicable to non-segmented arrays. Therefore, DNL errors can be corrected by using capacitors present in the array or by adding a few extra capacitors. This provides a solution that is inexpensive and consumes low power and has good suitability for ADC design.
図4に示す配置は図3に示すものの変更であり、逐次近似変換に関与し、主アレイに設けられ、一般に80で示されるキャパシタC1〜CNは、最下位キャパシタC1〜CAが設けられた第1キャパシタアレイ82、および最上位キャパシタCB〜CNが設けられた第2キャパシタアレイ84を含む。これらのアレイは、結合キャパシタ86を介して結合されている。ディザを供給するために用いられるキャパシタAC1〜ACNは、サブアレイ90に設けられ、これはさらなる結合キャパシタ92を介して主アレイ80に結合されている。前と同様、キャパシタAC1〜ACNに対するスイッチは擬似乱数発生器40に応答し、一方下部プレートのキャパシタC1〜CNへの接続を制御するためのスイッチは、SARコントローラ44に応答する。
The arrangement shown in FIG. 4 is a modification of that shown in FIG. 3 and is involved in successive approximation conversion, and is provided in the main array. The capacitors C1 to CN generally indicated by 80 are the first ones provided with the lowest capacitors C1 to CA. 1
図5に示す本発明のさらなる態様において、追加キャパシタAC1、AC2およびAC3等はサブアレイ100に形成され、キャパシタの下部プレートは、擬似乱数発生器40の制御下で動作するそれぞれのスイッチを介して、ディザ基準Dref1およびDref2に結合可能であり、これらは、絶対に必要であるわけではないが、便宜上VrefnおよびVrefpに対応することができる。しかし、サブアレイ100は今、比較器6の反転入力に接続され、一方正常サンプリングおよび変換アレイは、比較器6の非反転入力に接続される(または、この逆)。したがって、このシングルエンド型変換器においては、逐次近似ルーチンにしたがってサンプリングされた入力電圧をサンプリングおよび変換するために用いるキャパシタアレイについて、いかなる変更も必要ない。第2アレイにより提供されるディザは、比較器6の反転入力において電圧を摂動するのに用いられ、これによってディザ値により比較閾値を調節する。図3に示す配置により、ディザ値が加算器42に提供されて、これにより出力結果を形成するディジタルワードを修正し、適用されたディザを補償するようにすることができる。
In a further aspect of the present invention shown in FIG. 5, additional capacitors AC1, AC2, AC3, etc. are formed in subarray 100, and the lower plate of the capacitors is connected via respective switches that operate under the control of
サブアレイ100は擬似乱数発生器40により駆動され、一方メインアレイ80はSARコントローラにより駆動される。このシングルエンド構成の信号パスに対して、むしろ効果的に、何の改変もされていないことが理解される。
この概念は、図6に示すようにさらに拡張することができ、図6では、図3に示されたものと同様の差動型アナログ・ディジタル変換器が、比較器6の非反転入力に接続されたPキャパシタアレイ120、および比較器6の反転入力に接続されたNキャパシタアレイ122により提供される。図にはまた代替法も示されており、これらはディザを適用するのに互いに排他的ではない。ディジタル・アナログ変換器130はPアレイ120と結合され、ディジタル・アナログ変換器の出力は、比較器6に提示される前に、Pアレイの出力において生じる電圧と加算される。DACおよびPアレイの両方がスイッチトキャパシタとして実装される場合、これら2つの素子の間の電荷移動がディザを生じさせるため、DAC130はPアレイ120に直接接続可能である。しかし、実際に失われる電荷はなく、したがって任意のディザを適用する効果が取り消せることは、注目すべきである。代替案として、さらなるディジタル・アナログ変換器140が、比較器の入力ステージに接続可能であるか、またはこれの一部であってもよく、ここでDAC140の出力が比較器6内の内部電圧を変更するのに用いられるような様式であって、これによって比較器スイッチング閾値をシフトさせ/変化させて、ディザを適用する。
The subarray 100 is driven by the
This concept can be further expanded as shown in FIG. 6 where a differential analog to digital converter similar to that shown in FIG. 3 is connected to the non-inverting input of the comparator 6. P capacitor array 120 and an
差動型またはシングルエンド型ADCに対し、専用のディザDACによって駆動される1または2以上の追加入力を、比較器に加えることができる。かかる構成の1例が図7に示されており、これは比較器の第1プリアンプステージを示す。MOSデバイスM1およびM2は、正常差動入力装置であり、負荷抵抗器R1およびR2を駆動する。P outおよびN outのノードは、さらなるプリアンプステージに接続するか、またはラッチを直接駆動してよい。このプリアンプステージの利得は、入力装置のトランスコンダクタンスgm1に、R1およびR2の負荷抵抗をかけた値に等しい。入力をオフセットする能力を比較器に提供するため、gm2のトランスコンダクタンスおよび関連する電流源I2を有するデバイスM3およびM4を加えた。これらデバイスのゲートは、ディザDAC150の出力により制御される。逐次近似アルゴリズムは、このステージからゼロ差動出力電圧を提供するように機能する。ディザDAC150がデバイスM3およびM4にディザオフセットを提供していたとしても、これは真である。したがって、デバイスM3およびM4によっていかなる差動電流が提供されるとしても、入力装置M1およびM2により、等価で逆の電流が提供されなければならない。これにより、ディザDACの出力におけるディザ電圧Vditherと、その結果としてのステージへの入力におけるオフセット変化Voffsetの間に、単純な関係がもたらされ、これは式1で与えられる。
Voffset/Vdither=gm2/gm1 式1
For differential or single-ended ADCs, one or more additional inputs driven by a dedicated dither DAC can be added to the comparator. An example of such a configuration is shown in FIG. 7, which shows a first preamplifier stage of a comparator. MOS devices M1 and M2 are normal differential input devices and drive load resistors R1 and R2. P out and N The node of out may be connected to a further preamplifier stage or drive the latch directly. The gain of this preamplifier stage is equal to the value obtained by multiplying the transconductance gm1 of the input device by the load resistances of R1 and R2. Devices M3 and M4 with gm2 transconductance and associated current source I2 were added to provide the comparator with the ability to offset the input. The gates of these devices are controlled by the output of the
V offset / V dither = gm2 /
プリアンプ入力オフセットに必要な摂動は非常に小さいため、デバイスM3およびM4は、M1およびM2よりはるかに小さいことが予想される。また、式1が合理的に正確であることを保証するために、ディザDACの出力における差動電圧は、デバイスM3およびM4が両方ともそれらの線形領域において動作することを保証できるほど、小さい値であるように制限される。明らかにこの構成は、正および負の両方のディザの提供を可能とする。
Because the perturbation required for the preamplifier input offset is very small, devices M3 and M4 are expected to be much smaller than M1 and M2. Also, to ensure that
図8は、電流駆動DAC160が、電流をプリアンプの出力に注入する代替の構成を示す。前の例でのように、逐次近似アルゴリズムは、このステージからゼロ差動出力電圧を提供するように機能する。DAC2が提供する任意の差動電流は、プリアンプへの入力のオフセットにおいて対応する変化をもたらす。DACが提供する総電流が、入力装置のトランスコンダクタンスを追跡するようにすることで、この構成はまた、温度およびプロセス変化に対して感度を低めるようにすることができる。かかる構成全てにおいて、必要なディザ値を表わすディジタル値は、プリアンプの入力対における電流変化に変換される。これにより、このデバイス(単数または複数)のゲートソース電圧に変化をもたらし、これはまた、プリアンプへのオフセットにおける変化でもある。
FIG. 8 shows an alternative configuration where the current driven
プリアンプのオフセットへディザを適用する方法は全て差動法であるが、同じ技法がシングルエンド構成にも適用可能である。また、第1プリアンプの利得が合理的に制御されるなら、ディザは、第1プリアンプステージに続くプリアンプステージへ適用することができる。
したがって、アナログ・ディジタル変換器の動的非線形性を改善することが可能であり、したがってミッシングコードに関連する問題を避けることができる。
All methods of applying dither to the preamplifier offset are differential, but the same technique can be applied to single-ended configurations. Also, if the gain of the first preamplifier is reasonably controlled, dither can be applied to the preamplifier stage following the first preamplifier stage.
Thus, it is possible to improve the dynamic non-linearity of the analog-to-digital converter and thus avoid problems associated with missing codes.
Claims (25)
入力をサンプリングするため、および入力をディジタル値に変換するために用いるスイッチトキャパシタアレイ;および
制御ワードに応答するスイッチトキャパシタディジタル・アナログ変換器を含み、
入力信号をスイッチトキャパシタアレイにサンプリングした後、スイッチトキャパシタディジタル・アナログ変換器が動作して、前記スイッチトキャパシタアレイに格納された電荷に既知の摂動を作るか、または前記アナログ・ディジタル変換器の比較器の動作に摂動を起こす、前記アナログ・ディジタル変換器。 An analog to digital converter,
A switched capacitor array used to sample the input and convert the input to a digital value; and a switched capacitor digital to analog converter responsive to the control word;
After sampling the input signal into the switched capacitor array, the switched capacitor digital-to-analog converter operates to create a known perturbation on the charge stored in the switched capacitor array or to the comparator of the analog-to-digital converter The analog-digital converter that perturbs the operation of
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